Ein elektrischer Widerstand ist ein Bauelement, das den Fluss des elektrischen Stroms begrenzt. Ein oder mehrere Widerstände können verwendet werden, um die richtige Strommenge an bestimmte Komponenten innerhalb eines elektronischen Geräts zu liefern.
Was ist ein elektrischer Widerstand
Er ist eine der wichtigsten Komponenten in einer elektronischen Schaltung, da er dem Entwickler erlaubt, die Menge des Stroms und der Spannung, die an bestimmten Stellen in der Schaltung fließen, genau zu kontrollieren. Daher ist es eine absolute Notwendigkeit, sicherzustellen, dass empfindliche elektronische Komponenten wie integrierte Schaltkreise (ICs) genau die Menge an Leistung erhalten, die sie benötigen, und nicht mehr, da eine falsche Belastung oft zu einer Verschlechterung oder einem völligen Durchbrennen der ICs führt.
Widerstände werden oft auf eine Leiterplatte gelötet, um die Strommenge zu begrenzen, die zu verschiedenen elektrischen Pfaden fließt. Wenn zu wenig Strom ein Bauteil erreicht, funktioniert es möglicherweise nicht. Wenn zu viel Strom durchgelassen wird, kann das Bauteil beschädigt werden. Daher spielen Widerstände in einer elektronischen Schaltung eine wichtige Rolle.
Es gibt verschiedene Arten von Widerständen, aber die meisten bestehen aus Kohlenstoff und einem isolierenden Material, wie z.B. Keramik. Der Strom fließt an einem Ende und der Reststrom fließt am anderen Ende ab. Der resultierende Strom ist umgekehrt proportional zum Widerstand. Dies ist durch das Ohm’sche Gesetz definiert, das besagt, dass der Strom (I) gleich der Spannung (V) geteilt durch den Widerstand (R) ist.
Definition des elektrischen Widerstands
Elektrischer Widerstand, symbolisiert durch das griechische Zeichen Ω (Ohm), ist eine grundlegende elektrische Eigenschaft, die quantifiziert, wie stark ein Material den Fluss elektrischen Stroms behindert. Diese physikalische Größe ist entscheidend für das Design und die Funktionalität elektronischer Schaltungen, da sie es ermöglicht, die Strom- und Spannungsverhältnisse innerhalb eines Systems präzise zu steuern. Widerstände, die Bauelemente darstellen, welche diese Eigenschaft nutzen, sind somit unverzichtbar für den Schutz empfindlicher Komponenten und die Gewährleistung der korrekten Funktion elektronischer Geräte.
Der elektrische Widerstand eines Materials wird durch das Ohm’sche Gesetz definiert, das besagt, dass der Strom durch einen Widerstand proportional zur angelegten Spannung V und umgekehrt proportional zum Widerstandswert R ist, ausgedrückt durch die Gleichung I=R/V. Diese Beziehung verdeutlicht, wie Widerstände den Stromfluss begrenzen können, um elektronische Bauteile vor Überlastung zu schützen oder die gewünschte Stromstärke für eine optimale Leistung zu erreichen.
Die Konstruktion eines Widerstandes variiert je nach Anwendungsbereich und erforderlicher Belastbarkeit. Typische Bauformen umfassen drahtgewickelte Widerstände, bei denen Kupferdraht um einen Keramikkern gewickelt ist, und Kohlenstofffilmwiderstände, die für geringere Leistungsanforderungen geeignet sind. Die physikalischen Eigenschaften, wie die Anzahl der Windungen des Drahtes oder die Dicke des Kohlenstofffilms, bestimmen den spezifischen Widerstandswert.
Zur einfachen Identifikation werden Widerstände oft mit einem Farbcode markiert, der ihren Wert und ihre Toleranz angibt. Dies ermöglicht eine schnelle und fehlerfreie Auswahl und Integration in elektronische Schaltungen. Moderne Fertigungstechniken wie die Oberflächenmontagetechnik (SMD) haben die Integration von Widerständen in elektronische Geräte weiter vereinfacht, indem sie die Größe reduzieren und die Zuverlässigkeit erhöhen.
In der Elektronik sind Widerstände somit nicht nur essentielle Komponenten zur Stromsteuerung, sondern auch Schlüsselelemente für die Zuverlässigkeit und Leistung von Geräten. Ihre korrekte Auswahl und Anwendung ist entscheidend für die Entwicklung sicherer und effizienter elektronischer Systeme.
Physikalische Größe des Widerstands
Der elektrische Widerstand ist eine fundamentale physikalische Größe, die den Grad beschreibt, mit dem ein Material den Fluss elektrischen Stroms hemmt. Ausgedrückt in Ohm (Ω), quantifiziert der Widerstandswert die Fähigkeit eines Objekts, elektrische Energie in Wärme umzuwandeln und somit den Stromfluss zu begrenzen. Dieses Verhalten folgt dem Ohm’schen Gesetz, welches die Beziehung zwischen Strom I, Spannung V und Widerstand R durch die Gleichung V=IR definiert.
Der Widerstand eines Materials hängt von dessen Zusammensetzung, Geometrie und Temperatur ab. Materialien mit hohem Widerstand, wie Keramik oder bestimmte Metalllegierungen, werden gezielt in der Fertigung von Widerständen eingesetzt, um elektrische Schaltungen zu kontrollieren und zu schützen. Die Bestimmung und Anwendung des richtigen Widerstandswertes ist entscheidend für die Funktionalität und Sicherheit elektronischer Geräte und Systeme.
Wie ist ein Widerstand aufgebau?
Ein elektrischer Widerstand, auch wenn er sehr klein ist, besteht oft aus Kupferdrähten, die um einen Keramikstab gewickelt sind, und einer äußeren Schicht aus Isolierlack. Dies wird als drahtgewickelter Widerstand bezeichnet, und die Anzahl der Windungen und die Größe des Drahtes bestimmen die genaue Höhe des Widerstandes. Kleinere Widerstände, die für Schaltungen mit geringer Leistung ausgelegt sind, werden oft aus Kohlenstofffilm hergestellt, der die Wicklung des oft sperrigen Kupferdrahtes ersetzt.
Widerstände sind oft farblich gekennzeichnet, um ihre Widerstandswerte visuell darzustellen. Ein typischer Axialleitungswiderstand ist z.B. zylindrisch geformt und hat mehrere farbige Streifen. Die Außenseite des Widerstandes ist durch drei Bänder unterschiedlicher Farbe in gleichem Abstand zueinander und ein viertes Band, das etwas weiter vom dritten entfernt ist als der bisherige Abstand, gekennzeichnet. Die Kombination der Farben stellt den Wert Ohm dar.
Die Bänder werden von links nach rechts gelesen, wobei die ersten beiden Farbbänder den Basiswert als einzelne Ziffern darstellen, während das dritte Band ein Leistungsmultiplikator und das letzte Band ein Toleranzindikator ist, da der Herstellungsprozess die Genauigkeit des Wertes begrenzt. Wenn es fünf Bänder gibt, dann stellen die ersten drei den Basiswert dar, während die letzten beiden noch den Multiplikator bzw. die Toleranz darstellen.
Farbwerte von Widerständen
Um die verschiedenen Werte zu erkennen und damit den Wert in Ohm von Widerständen zu ermitteln, sind die Farbwerte noch einmal aufgelistet. Diese Farbcodes sind entscheidend für die korrekte Identifizierung und Anwendung von Widerständen in elektronischen Schaltungen. Jeder Farbcode steht für eine Zahl, die zusammen mit den anderen Farben auf dem Widerstand den Gesamtwiderstandswert in Ohm angibt. Die Farben folgen einer festgelegten Reihenfolge, beginnend mit Schwarz (0) bis Weiß (9), und beinhalten zusätzliche Farben wie Gold und Silber, die für die Toleranzwerte stehen.
Die Nutzung dieser Farbcodes erleichtert die Arbeit von Elektrotechnikern und Hobby-Elektronikern erheblich, da sie eine schnelle und einfache Methode zur Bestimmung der Widerstandswerte ohne elektronische Messgeräte bietet. Eine genaue Lesart der Farbcodes ist jedoch wesentlich, da eine Fehlinterpretation der Reihenfolge oder Farben zu fehlerhaften Schaltkreisen führen kann. Die korrekte Interpretation des Farbcodes ermöglicht die Auswahl des richtigen Widerstandes für die gewünschte Strombegrenzung und trägt zur Minimierung von Fehlern sowie zur Optimierung der Schaltungsfunktion bei.
In der Praxis ist das Verständnis der Farbcodes von Widerständen ein fundamentaler Bestandteil der Elektronik, der den Aufbau und die Fehlersuche in elektronischen Geräten erleichtert. Die Fähigkeit, Widerstandswerte schnell zu identifizieren, ist insbesondere in der Prototypenentwicklung und bei Reparaturen von entscheidender Bedeutung, da die Effizienz und Genauigkeit der Komponentenauswahl direkte Auswirkungen auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Endprodukts haben.
Die Farbwerte von Widerständen:
0 = Schwarz
1 = braun
2 = Rot
3 = Orange
4 = Gelb
5 = Grün
6 = Blau
7 = Violett
8 = Grau
9 = Weiß
Die Toleranz Werte von Widerständen:
Braun = +/- 1%.
Rot = +/- 2%.
Gold = +/- 5 %.
Silber = +/- 10%
Wie wird der elektrische Widerstand berechnet?
Der Widerstand eines Bauelements wird nach dem ohmschen Gesetz berechnet. Bauelemente wie elektronische Schaltungstechnik haben einen bestimmten Widerstand, der von der Temperatur abhängig ist. Die Einheit des Widerstands ist Ohm.
Einzelne Widerstände in elektronischen Schaltungen sind maßgeblich für den Spannungsfall und die Stromstärke, die durch einen bestimmten Leiter fließen. Der Widerstand hängt davon ab, ob eine bestimmte Spannung oder Stromstärke erforderlich ist. Bei steigender Temperatur erhöht sich der Widerstand, was in Bildern zur Leiter und Kapazitive Bauteilen gezeigt wird.
Spezifischen Widerstand berechnen
Die Berechnung des spezifischen Widerstands ist ein zentraler Aspekt im Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Materialien. Der spezifische Widerstand \rho eines Materials gibt an, wie stark es den elektrischen Stromfluss hemmt, und wird typischerweise in Ohm-Meter \Omega*m ausgedrückt. Die Formel für die Berechnung lautet \rho = R*\frac{A}{l}, wobei R den Widerstand in Ohm \Omega, A den Querschnitt des Materials in Quadratmetern m^2 und l die Länge des Materials in Metern m repräsentiert.
Diese Gleichung ermöglicht es, den spezifischen Widerstand eines Materials zu bestimmen, was für die Auswahl geeigneter Materialien für elektrische und elektronische Anwendungen unerlässlich ist. Verständnis und Anwendung dieser Berechnung sind entscheidend für die Entwicklung effizienter und leistungsfähiger elektronischer Komponenten.
SMD Widerstände
Oberflächenmontierte Widerstände werden heute in großen Mengen verwendet. Der Großteil der Unterhaltungs- und Profi-/Industrieelektronik wird heute in Oberflächenmontagetechnik hergestellt.
Der Einsatz von SMD verbessert die Fertigung und ermöglicht einen sehr hohen Automatisierungsgrad.
Darüber hinaus verbessert der Einsatz von SMD die Zuverlässigkeit, ermöglicht eine höhere Funktionalität innerhalb einer angemessenen Größe und reduziert die Kosten erheblich. Dementsprechend sind oberflächenmontierbare Widerstände in Bezug auf die eingesetzten Stückzahlen in nahezu allen elektronischen Geräten die bevorzugte Bauform.
SMD Widerstände bieten die gleiche Funktionalität wie die traditionelleren axial bedrahteten Widerstände, jedoch mit einer geringeren Verlustleistung und oft geringerer Streuinduktivität und -kapazität usw.
SMD Widerstände sind in allen gängigen Werten erhältlich, von E3 bis E192 sowie in einigen Sonderausführungen, falls diese jemals benötigt werden. Auch die sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich, von denen einige inzwischen sehr klein und manuell schwer zu handhaben sind.